# name
Out of equilibrium dynamics in driven colloidal systems

# metadata.dc.contributor.other[].value
Universitat de Barcelona. Departament de Física de la Matèria Condensada

# metadata.dc.description.abstract[].value
[eng] The physics of systems driven out of equilibrium presents a rich variety of unexpected and intriguing phenomena, with a high impact on our understanding of complex, collective and even biological systems, which are often beyond equilibrium. Consequently, theoretical, numerical and experimental efforts have been devoted to studying its rich phenomenology, shared between several physical systems, among which colloidal dispersions can be found. In contrast to other systems, colloidal ones are of both industrial and fundamental interest. In the first case, they are ubiquitous in everyday products or manufacturing processes. From the fundamental point of view, colloids can be used as model systems for collections of atoms and molecules. In this thesis, I numerically investigate the out-of-equilibrium dynamics of driven and confined colloidal systems, closely mimicking experimental set-ups investigated in Prof. Pietro Tierno’s group at the University of Barcelona. By employing simulation frameworks that were calibrated on the corresponding experimental data, I per-formed simulations to go beyond previous results and investigate phenomena occur-ring in regimes that are either hard to reach experimentally or that require a high degree of control over the physical parameters, environment and initial conditions. The thesis covers the work done in two different projects which study the phenomenology of magnetically driven colloids in different geometries and resulted in two main publications. In the first project, I investigated a system of quasi two-dimensional (2D) paramagnetic colloids confined between two plates and driven by a conically precessing magnetic field. The results show that, at low frequencies of the driving field, the colloids arrange into a triangular lattice of pairs (dubbed dimers) which rotate phase-locked with the field. In contrast, raising the frequency induces the rupture of an increasing number of dimers and, ultimately, the loss of both positional and bond-orientational order, leading the system to melt into a liquid-like state with high particle mobility. In this regime, I further observed enhanced diffusion that increases with the frequency and verified that the transport properties of the system, when a secondary constant bias field is applied, can be strongly altered by the presence of magnetic ”holes”. The focus of the second project was a square Artificial Colloidal Ice (ACI), a frustrated system composed of bistable traps arranged along the edges of a square lattice and each hosting a paramagnetic colloid. These particles interact repulsively between each other due to a static magnetic field applied perpendicular to the plane of the traps. In this case, I perturbed the ground state of the system with a constant bias force along the diagonal of the square lattice and observed that, as the bias increases, the steady state becomes highly populated by mobile excitations known as magnetic monopoles, up to a maximum density. After the maximum is reached, the density of excitations decreases, and the system falls into a new ground state. Additionally, I developed and implemented a novel algorithm which allows the tracking of monopoles in the colloidal ice and to investigate the dynamics of their motion. In particular, I was able to characterize the monopole motion as anticorrelated and to measure their generation and re-combination rates. From this data I could successfully reproduce the measured discrete probability distribution of their population number.

# metadata.dc.description.abstract[].value
[cat] La física dels sistemes allunyats de l’equilibri presenta una gran varietat de fenòmens inesperats i fascinants, amb un fort impacte en la nostra comprensió dels sistemes complexos, col·lectius i fins i tot biològics, que sovint operen fora de l’equilibri. En conseqüència, s’han dut a terme esforços teòrics, numèrics i experimentals per estudiar aquesta rica fenomenologia, present en diversos sistemes físics, entre els quals es troben les dispersions col·loidals. A diferència d’altres tipus de sistemes, els col·loides presenten un gran interès tant industrial com fonamental. En el primer cas, són omnipresents en productes d’ús quotidià o en processos de fabricació. Des del punt de vista fonamental, els col·loides poden servir com a sistemes model per estudiar col·leccions d’àtoms i molècules. En aquesta tesi s’investiga numèricament la dinàmica fora de l’equilibri en sistemes col·loidals confinats i sotmesos a forçaments externs, imitant de prop els muntatges experimentals estudiats pel grup del professor Pietro Tierno a la Universitat de Barcelona. Utilitzant marcs de simulació calibrats sobre els sistemes experimentals corresponents, s’han dut a terme simulacions amb l’objectiu d’anar més enllà dels resultats anteriors i explorar fenòmens que apareixen en règims difícils d’assolir experimentalment o que requereixen un alt grau de control dels paràmetres físics, de l’entorn i de les condicions inicials. La tesi recull el treball realitzat en dos projectes diferents centrats en l’estudi de la fenomenologia de col·loides accionats magnèticament en diferents geometries, que han donat lloc a dues publicacions. En el primer projecte s’ha estudiat un sistema de col·loides paramagnètics quasi bidimensionals confinats entre dues plaques i sotmesos a un camp magnètic amb precessió cònica. Els resultats mostren que, a baixes freqüències del camp, les partícules s’organitzen en una xarxa triangular de parelles (anomenades dímeres) que giren en fase amb el camp. En canvi, a mesura que augmenta la freqüència, un nombre creixent de dímeres es descomponen i, finalment, es perd tant l’ordre posicional com l’orientació dels enllaços, conduint el sistema cap a un estat líquid amb alta mobilitat de partícules. En aquest règim, també s’ha observat una difusió millorada amb l’augment de la freqüència i s’ha comprovat que les propietats de transport del sistema poden ser fortament modificades per la presència de “forats” magnètics, quan s’hi aplica un segon camp constant de biaix. El segon projecte es centra en un sistema conegut com Artificial Colloidal Ice (ACI) , un sistema frustrat format per trampes bistables disposades al llarg de les vores d’una xarxa quadrada, cadascuna allotjant un col·loide paramagnètic. Cada partícula interacciona repulsivament amb les altres a causa d’un camp magnètic estàtic aplicat perpendicularment al pla de les trampes. En aquest cas, s’ha pertorbat l’estat fonamental del sistema mitjançant una força constant de biaix aplicada al llarg de la diagonal de la xarxa. S’ha observat que, a mesura que augmenta el biaix, l’estat estacionari esdevé altament poblat per excitacions mòbils conegudes com monopols magnètics, fins assolir una densitat màxima. Un cop superat aquest màxim, la densitat d’excitacions disminueix i el sistema transita cap a un nou estat fonamental. A més, s’ha desenvolupat i implementat un algorisme nou que permet fer el seguiment dels monopols dins de la xarxa d’espins i estudiar-ne la dinàmica. En particular, s’ha pogut caracteritzar el moviment dels monopols com a anticorrelacionat i mesurar-ne les taxes de generació i recombinació, amb les quals s’ha reproduït amb èxit la distribució de probabilitat discreta del seu nombre poblacional.

# metadata.dc.source[].value
Tesis Doctorals - Departament - Física de la Matèria Condensada

# metadata.dc.title[].value
Out of equilibrium dynamics in driven colloidal systems